Примеры расчета транзисторных усилителей мощности

Пример 1. Исходные данные для расчета:

рабочая частота f=3 МГц;

полезная мощность генератора (в нагрузке) P_п=8 Вт;

добротность ненагруженной ЦС – 100, нагруженной – 20;

напряжение питания E_п=+27 В;

максимальная температура среды t_{ср max}=40°С.

Для выбора типа транзистора определим контурный КПД и необходимую величину колебательной мощности .

Выбор типа транзистора. Тип транзистора выбираем по величине необходимой колебательной мощности, рабочей частоте и напряжению питания. Чтобы исключить влияние инерционных свойств транзистора и обеспечить большой коэффициент усиления мощности выбираем транзистор с f _s > 2 f. Статические характеристики биполярных транзисторов в недонапряженном режиме без существенной погрешности можно использовать в рабочих частотах f < 0, 5 f_s, где – граничная частота по крутизне – частота, при которой модуль крутизны падает в раз против своего низкочастотного значения. В перенапряженном режиме для мощных среднечастотных транзисторов должно выполняться условие f < 0, 05 f_s. Расчет коллекторной цепи можно проводить независимо от схемы включения транзистора (с ОЭ или ОБ).

В справочных данных ВЧ и СВЧ-транзисторов обычно приведено значение f _гр (f _т ) и модуль коэффициента передачи тока | h _{21 э} | на высокой частоте f _и. При этом . Частота f_s может быть больше или меньше f _гр в зависимости от величины Sr_б. При больших токах, характерных для генераторных режимов, , т.е. С учетом условия выбираем транзистор, для которого f _гр=(4…40) f. Выбираем кремниевый n-p-n транзистор типа КТ903А (прил. 3) с параметрами:

граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с ОЭ f _т (f _гр ) =120 МГц;

статический коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОЭ β ₀(h _21Э0 ) при температуре 20-40°С равен 15…70. При расчете используем среднее значение β ₀ =30;

сопротивление базы r_б=2 Ом;

напряжение отсечки (запирания) E¢ _б = 0, 7 В;

сопротивление насыщения между коллектором и эмиттером транзистора на НЧ r _{нас нч}на низких частотах равно 1, 2 Ом, однако условие низких частот

не выполняется и, следовательно, на рабочей частоте сопротивление насыщения будет больше. Принимаем r_{нас вч}=2 Ом, что соответствует крутизне см;

интервал рабочих температур транзистора от –40 до +85°С;

максимальная температура перехода t _пmax=150°С;

тепловое сопротивление переход-корпус R _пк=3, 33° С/Вт;

максимально допустимое напряжение база-коллектор

максимально допустимое напряжение база-эмиттер

максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер

максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер

максимально допустимый постоянный ток коллектора

максимально допустимая постоянная мощность, рассеиваемая коллектором, (с теплоотводом).

Расчет электронного режима. При расчете пренебрегаем влиянием индуктивностей выводов и нелинейностью междуэлектродных емкостей транзистора.

Из условия получения высокого электронного КПД выбираем угол отсечки: q =90°. При этом угле отсечки коэффициенты разложения для косинусоидального импульса равны (приложения 1 и 2)

.

1. Коэффициент использования коллекторного напряжения в граничном режиме при равен

При необходимости перехода в перенапряженный режим полученное значение x_ГР нужно увеличить, а для перехода в недонапряженный режим – уменьшить.

2. Амплитуда коллекторного напряжения

3. Максимальное напряжение на коллекторе

Если задано напряжение не E_к, а U_{кэ max}, то амплитуду коллекторного напряжения можно найти из уравнения

При этом допустимое постоянное напряжение на коллекторе равно

.

Если же необходимо полностью использовать транзистор по току, например, принять , то коэффициент использования коллекторного напряжения (при выбранном ) равен

.

4. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

5. Высота импульса коллекторного тока

6. Постоянная составляющая тока коллектора

7. Мощность, потребляемая усилителем от источника питания,

8. Мощность, рассеиваемая коллектором,

9. Электронный КПД

10. Общий КПД

11. Сопротивление коллекторной нагрузки по высокой частоте в граничном режиме Это сопротивление должно обеспечить цепь согласования АЭ с нагрузкой.

12. Максимально допустимое тепловое сопротивление радиатора (корпус транзистора-среда)

.

13. Крутизну тока коллектора по переходу при косинусоидальной форме импульса коллекторного тока определяют для тока, равного

14. Сопротивление рекомбинации

15. Крутизна тока коллектора

16. Граничная частота по крутизне

Поскольку наша рабочая частота f< 0, 5 f_s= 3, 15МГц, при расчете коллекторной цепи действительно можно пренебречь инерционностью транзистора.

17. Максимальное допустимое значение постоянной составляющей коллекторного тока при расстроенной ЦС

.

При использовании генератора в лабораторном стенде возможна расстройка ЦС при гораздо больших токах () и поэтому сопротивление R_кс необходимо существенно уменьшить по сравнению с расчетным значением .

Расчет параметров цепи возбуждения транзистора. Инерционность биполярных транзисторов начинает сказываться уже на частотах, во много раз меньших предельной частоты f_т. Инерционность проявляется в запаздывании максимума импульса коллекторного тока относительно возбуждающего напряжения. Кроме того, амплитуда импульса тока уменьшается, а его длительность – увеличивается. В токе базы с ростом частоты возрастает емкостная составляющая. С ростом мощности уменьшается активное входное сопротивление транзистора. При мощностях более одного ватта входное сопротивление открытого транзистора составляет единицы или даже доли Ома, а закрытого – существенно больше. В этих условиях базу мощного транзистора целесообразно включать во входной контур последовательно, а не параллельно, как это обычно принято в устройствах малой мощности. При последовательном включении в контур входной ток транзистора близок к синусоидальному, а напряжение на входных зажимах транзистора – несинусоидально. Рассмотрим случай возбуждения транзистора синусоидальным напряжением.

1. При возбуждении транзисторного генератора синусоидальным напряжением модуль крутизны тока коллектора на рабочей частоте равен

Комплексный характер крутизны можно не учитывать вплоть до частот .

2. Амплитуда напряжения возбуждения (при низкочастотный и высокочастотный углы отсечки практически равны)

3. Напряжение смещения

4. Модуль крутизны тока базы на рабочей частоте

На высоких частотах емкость эмиттерного перехода закорачивает сопротивление r и крутизна тока базы стремится к значению .

5. Поскольку угол отсечки тока базы приблизительно равен углу отсечки тока коллектора, токи базы можно определить по формулам:

6. Мощность возбуждения

Мощность возбуждения можно определить и более простым способом, если учесть, что на высоких частотах емкость эмиттерного перехода закорачивает сопротивление рекомбинации r. Источник возбуждения в этом случае нагружен лишь на сопротивление базы r_б и мощность возбуждения равна

В действительности мощность возбуждения транзистора будет несколько меньшей. Выходная мощность предыдущего каскада должна быть гораздо большей мощности возбуждения для компенсации потерь в цепи согласования.

7. Средняя величина входного сопротивления усилителя

8. Коэффициент усиления транзистора по мощности

При коэффициент усиления можно также оценить с помощью выражения

где – коэффициент усиления на частоте при и .

В нашем случае МГц и условие не выполняется. Поэтому оценим лишь порядок коэффициента усиления. Для транзистора КТ903А при , и . Произведя подстановку, получим

На высоких частотах расчет электронного режима транзисторных генераторов получается очень громоздким; его рекомендуется выполнять на ПК.

Пример 2 [14, 29].Рассчитать двухтактный генератор мощностью 150 Вт в диапазоне частот 3…30 МГц; номинальный режим – граничный; напряжение питания Е_п = 30 В.

Расчет выполним для частоты 30 МГц и одного плеча двухтактного генератора на мощность . Угол отсечки коллекторного тока выберем равным 90°. При таком угле отсечки коэффициенты разложения для косинусоидального импульса равны

(приложения 1 и 2): ; ; . Выбираем транзистор 2Т927А со следующими параметрами: ; ; ; сопротивление утечки эмитерного перехода ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

Расчет коллекторной цепи:

1. Амплитуда напряжения первой гармоники на коллекторе

,

где с запасом принято P₁=80 Вт, а напряжение E_к снижено на 0, 5 В по сравнению с E_п.

2. Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимого

.

Если это условие не выполняется, необходимо снизить E_к.

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

.

4. Постоянная составляющая коллекторного тока

.

 

5. Высота импульса коллекторного тока

.

6. Мощность, потребляемая от источника коллекторного питания,

.

7. КПД коллекторной цепи

8. Максимальная мощность, рассеиваемая коллектором,

9. Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки (в двухтактных генераторах для транзистора в одном из плеч)

Расчет входной цепи транзистора. Приводимая ниже методика расчета входной цепи генератора на БТ для схем с ОЭ и с ОБ справедлива на частотах до (0, 5…0, 8) . Если рабочая частота оказывается выше, то следует брать более высокочастотный транзистор. Для транзисторов диапазона УВЧ–СВЧ () существенную роль играют LC-элементы, образующиеся или специально создаваемые между кристаллом и корпусом транзистора. Это относится и к более низкочастотным транзисторам, внутри корпуса которых встроены согласующе-трансформирующие LC-цепи. В этих случаях расчет входной цепи проводят с применением ПК, используя полные эквивалентные схемы транзисторов с учетом дополнительных LRC-элементов, либо ориентируются на экспериментальные измерения параметров входной цепи.

При расчете входной цепи транзистора с ОЭ предполагается, что между базовым и эмиттерным выводами транзистора по радиочастоте включен резистор , сопротивление которого составляет при большом сопротивлении утечки эмиттерного перехода ().

Кроме того, между коллекторным и базовым выводами включен резистор величиной . На частотах в реальных схемах резисторы и можно не ставить, однако в последующих расчетных формулах сопротивление необходимо использовать.

Сопротивления дополнительных резисторов равны ; .

1. Вспомогательный коэффициент

2. Амплитуда тока базы на частоте 30 МГц

.

3. Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе

.

Это напряжение превышает допустимое значение напряжения 3, 5 В. Поэтому необходимо несколько уменьшить мощность P₁ или увеличить напряжение E_к.

4. Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов

;

 

5. Напряжение смещения на эмиттерном переходе

6. Значения элементов

, , и :

 

7. Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления

8. Входная мощность

9. Коэффициент усиления по мощности

10. Максимальная мощность, рассеиваемая в транзисторе,